(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンブレードをタービン回転子に固定するための根元部分（１４）と；
前記根元部分から長手方向に延出するエーロフォイル部分（１１２、２１２）と；
前記エーロフォイル部分を貫通し、冷却流体の流れを受け取るための入口を有する少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路と；
前記エーロフォイル部分から外側へ突出し、半径方向内側に向いた面と半径方向外側に向いた面とを有するシュラウド（１２０、２２０）と；
前記シュラウドの少なくとも一部を通って前後に延在するように形成され、前記エーロフォイル冷却流路から冷却流体を受け入れるように、前記エーロフォイル冷却流路と流れ連通し、使用済み冷却流体を前記シュラウドから排出させるための少なくとも１つの出口開口部（１２８）を含む少なくとも１つの蛇行冷却流路（１３０、１３１、１３２、１３３、２３１、２３３）と
を具備し、
前記エーロフォイル冷却流路の前記入口を通して前記エーロフォイル冷却流路により受け取られる前記冷却流体の少なくとも第１の部分は、前記蛇行冷却流路に流入して、前記蛇行冷却流路を通過し、前記少なくとも１つの出口開口部を通って流出し、
前記シュラウドは、隣接するブレードのシュラウドと係合する支持面（１２２、１２４）を有し、前記少なくとも１つの出口開口部（１２８）は、前記支持面に隣接して配置され、
前記シュラウドは、少なくとも１つの中央冷却チャンバ（１３４、２３４）を含み、前記中央冷却チャンバは、前記少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路と流れ連通し且つ前記少なくとも１つの蛇行冷却流路と流れ連通しており、
前記蛇行冷却流路内に、タービュレータおよび方向転換羽根のうちの少なくとも１つが配設されている、
タービンブレード。
【請求項２】
前記中央冷却チャンバは、前記少なくとも１つの蛇行冷却流路との間の仕切り壁にある少なくとも１つの流れ開口部（１３８）を介して、前記少なくとも１つの蛇行冷却流路と流れ連通している請求項１記載のタービンブレード。
【請求項３】
前記中央冷却チャンバは、前記少なくとも１つの蛇行冷却流路と開放流れ連通状態にある請求項１記載のタービンブレード。
【請求項４】
前記シュラウドに複数の蛇行冷却流路が形成されている請求項１記載のタービンブレード。
【請求項５】
請求項１記載のタービンブレードの列を有するタービン回転子。
【請求項６】
ガスタービンエーロフォイル（１１２、２１２）に対して垂直な平面に延出する関連する平坦なシュラウド（１２０、２２０）を有するガスタービンエーロフォイル（１１２、２１２）を冷却する方法において、
ａ）前記エーロフォイルに少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路を設けることと、
ｂ）前記シュラウドに、前記シュラウドの少なくとも一部を往復するように通過する少なくとも１つの蛇行冷却流路（１３０、１３１、１３２、１３３、２３１、２３３）を設けることと、
ｃ）前記少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路に冷却空気を供給することと、
ｄ）前記シュラウドにある前記少なくとも１つの蛇行冷却流路に前記冷却空気を搬送することと、
ｅ）前記少なくとも１つの蛇行冷却流路に前記冷却空気を通し、前記シュラウドを経て排出することと、
ｆ）前記シュラウドに、前記少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路と流れ連通し且つ前記少なくとも１つの蛇行冷却流路と流れ連通している、少なくとも１つの中央冷却チャンバ（１３４、２３４）を設けること、
ｇ）前記蛇行冷却流路内に、タービュレータおよび方向転換羽根のうちの少なくとも１つを配設すること、
を含み、
過程ｅ）は、前記シュラウドに、前記シュラウドの周囲縁部で開いた少なくとも１つの冷却空気排出穴（１２８）を設けることにより実行され、
方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの蛇行冷却流路は、前記エーロフォイルが形成されるときにインベストメント鋳造される請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン、例えば、航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービンなどのブレードに関する。特に、本発明は、タービンブレードの翼端シュラウドの冷却に関する。限定的な意味を持たない一例として、本発明及びその背景は、ガスタービンに関連して説明される。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、通常、圧縮空気を生成する圧縮機部分から構成される。燃料は、圧縮空気の一部と混合され、１つ以上の燃焼器において燃焼されることにより、高温の圧縮ガスを生成する。高温の圧縮ガスはタービン部分において膨張し、回転軸動力を発生する。タービン部分は、通常、静止羽根（ノズル）の列と回転ブレード（バケット）の列とが交互に配置された複数の列から構成される。各々の回転ブレードは、エーロフォイル部分と、ブレードを回転子に装着するための根元部分とを有する。
【０００３】
ブレードは、燃焼器から排出される高温ガスにさらされるので、有用な設計寿命サイクルを得るために、冷却方法が必要とされる。従来、ブレードの冷却は、圧縮機からの圧縮空気の一部を取り出し、その空気が燃焼器を迂回するように、空気をタービン部分へ搬送することにより実現されていた。タービン部分に導入された後、この冷却空気は、ブレードのエーロフォイル部分に形成された流路を通って流れる。多くの場合、ブレード先端部において冷却空気を半径方向外側へ排出する半径方向流路が設けられる。
【０００４】
多くの回転エーロフォイルにおいて、高温ガスが通過しなければならない流路の外面を形成するために、ブレードの半径方向外側の端部で、一体の翼端シュラウドが使用される。エーロフォイルの一部としてシュラウドを使用することにより、エンジンの性能が向上するという結果が得られる。そのため、外面全体を翼端シュラウドにより被覆することが望ましい。しかし、回転するエーロフォイルに装着される一体のシュラウドは、回転速度により加えられる機械的力が原因となって大きな応力を受ける部品である。この大きな応力と高温の環境が組み合わされるため、ブレードのシュラウド以外の部分の耐用年数を通して有効に機能するシュラウドを設計することは、解決すべき大きな問題である。この問題を解決するための２つの方法は、応力を減少すること及び／又は温度を低下することである。
【０００５】
応力を減少するのに共通する方法は、張り出しているシュラウドの一部を除去する（シュラウドにスカラップを形成する）ことにより、加えられる荷重を減少する。しかし、翼端シュラウドの被覆面積を縮小すると、エンジン性能の面で不都合が生じる。この方法に加えて又はこの方法の代わりに、膜冷却の１つの手段として、ブレード先端部で排出される冷却空気をシュラウドの半径方向外側に向いた面に沿って流す方法もある。
【特許文献１】米国特許第５，４８２，４３５号公報
【特許文献２】米国特許第６，７６１，５３４号公報
【特許文献３】米国特許第４，１２７，３５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、特にエーロフォイルとブレードの翼端シュラウドとの間のフィレットにおいて（尚、場所はフィレットに限定されない）、翼端シュラウドの蛇行冷却を実行することにより、翼端シュラウドを更に有効に冷却することを目的とする。本発明は、そのような蛇行回路を使用して翼端シュラウドを冷却する方法を更に提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って、本発明のひとつは、
タービンブレードをタービン回転子に固定するための根元部分と；
前記根元部分から長手方向に延出するエーロフォイル部分と；
前記エーロフォイル部分を貫通し、冷却流体の流れを受け取るための入口を有する少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路と；
前記エーロフォイル部分から外側へ突出し、半径方向内側に向いた面と半径方向外側に向いた面とを有するシュラウドと；
前記シュラウドの少なくとも一部を通って前後に延在するように形成され、前記エーロフォイル冷却流路から冷却流体を受け入れるように、前記エーロフォイル冷却流路と流れ連通し、使用済み冷却流体を前記シュラウドから排出させるための少なくとも１つの出口開口部を含む少なくとも１つの蛇行冷却流路とを具備し、
前記エーロフォイル冷却流路の前記入口を通して前記エーロフォイル冷却流路により受け取られる前記冷却流体の少なくとも第１の部分は、前記蛇行冷却流路に流入して、前記蛇行冷却流路を通過し、前記少なくとも１つの出口開口部を通って流出するタービンブレードにおいて実現することができる。
【０００８】
また、本発明のひとつは、ガスタービンエーロフォイル（１１２、２１２）に対してほぼ垂直な平面に延出する関連するほぼ平坦なシュラウド（１２０、２２０）を有するガスタービンエーロフォイル（１１２、２１２）を冷却する方法において、
ａ）前記エーロフォイルに少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路を設けることと；
ｂ）前記シュラウドに、前記シュラウドの少なくとも一部を往復するように通過する少なくとも１つの蛇行冷却流路（１３０、１３１、１３２、１３３、２３１、２３３）を設けることと；
ｃ）前記少なくとも１つのエーロフォイル冷却流路に冷却空気を供給することと；
ｄ）前記シュラウドにある前記少なくとも１つの蛇行冷却流路に前記冷却空気を搬送することと；
ｅ）前記少なくとも１つの蛇行冷却流路に前記冷却空気を通し、前記シュラウドを経て排出することと
を含む方法によって実現することができる。
本発明の上記の目的及び利点並びにその他の目的及び利点は、添付の図面と関連させた以下の本発明の現時点で好適な実施形態の更に詳細な説明を慎重に検討することにより、更に完璧に理解され且つ認識されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
翼端シュラウドに沿って流れ、ブレード先端部を出口とする複数の冷却流路を有する典型的なブレードが図１に概略的に示される。図１に概略的に示されるように、各タービンブレード１０は、エーロフォイル部分１２及び根元部分１４から構成される。エーロフォイル部分は、前縁部及び後縁部を有する。前縁部と後縁部との間のエーロフォイルの両側面に、ほぼ凹形の面と、ほぼ凸形の吸込み面とが延在する。図示される例においては、ブレードの根元部分１４は、シャンク１６と、回転子の対応するダブテール溝と係合してブレードを回転子に固着するダブテール１８とから構成される。
【００１０】
図１及び図２に示されるように、シュラウド２０は、エーロフォイル部分１２の先端部に形成され、エーロフォイル部分から外側へ延出する。従って、シュラウドは、半径方向内側に向いた面と半径方向外側に向いた面とを有し、タービン部分を通って流れる高温の圧縮ガスにさらされる。各シュラウドは、隣接するブレードのシュラウドと接触することにより、ブレードの振動を抑制する支持面２２、２４を有する。更に、それぞれのブレード列の周囲における高温ガスの漏れを防止するために、通常、シュラウドから半径方向外側へバッフル２６が延出する。いくつかの従来のバケットブレード構造においては、ブレードを通ってブレード先端部の中まで、複数の冷却空気流路が半径方向外側へ延出する。他の従来のバケットブレード構造においては、エーロフォイルに複数の蛇行流路が形成される。図２に示されるように、冷却空気流路（半径方向流路又は蛇行流路）は、従来、空気排出穴２８を終端部とする。冷却空気は、空気排出穴により、シュラウドの半径方向外側の面において排出される。図２には９つの穴２８が示されるが、流路の数は８つ以下又は１０以上であってもよい。
【００１１】
図３〜図５を参照すると、翼端シュラウドを更に完全且つ有効に冷却するために、本発明の一実施形態においては、翼端シュラウド１２０、２２０の内部に少なくとも１つの蛇行回路１３０、１３１、１３２、１３３、２３１、２３３が形成される。従来のように、空気は、例えば、ダブテール又はシャンクの領域の付近でブレードの中に取り込まれ、シャンクを通って流れ、エーロフォイル部分に入り、エーロフォイル部分に沿って翼端シュラウド１２０に向かって流れる。図示される実施形態においては、エーロフォイル部分１１２、２１２の半径方向外側の端部に、蛇行回路を介してシュラウド全体に冷却流体（空気）を配分するための冷却流体溜めとして、中央チャンバ１３４、２３４が形成される。別の構成として、エーロフォイル部分に沿って延在する複数の流路が、シュラウド内部の対応する蛇行回路にそれぞれ結合されてもよい。
【００１２】
冷却空気は、冷却材溜め又はそれぞれの冷却材流路から蛇行回路へ流れ、蛇行回路を通過する。蛇行回路１３０、１３１、１３２、１３３、２３１、２３３は、それぞれ、任意の数の往復流路を有してよい。冷却材は、第１の方向に流れた後、方向転換し、別の方向に流れる。第２の方向は、第１の方向に対して正反対（１８０°）の方向であってもよいし、あるいはそれより小さい角度、例えば、１５０°（３０°）又は１２０°（６０°）を成していてもよい。熱伝達を向上するため又は圧力損失を減少するために、翼端シュラウドの冷却回路は、符号１３６で示されるタービュレータ又は方向転換羽根などの追加の特徴を回路内部に含んでもよい。蛇行回路は、主に翼端シュラウドの平面に配置される。冷却材がそれぞれの回路に沿った流れを完了したならば、冷却材は、１つ以上の開口部１２８を通って、シュラウドから主ガス流路へ排出される。
【００１３】
図３は、（図４及び図５と関連して）４つの蛇行回路１３０、１３１、１３２、１３３、２３１、２３３を有する一実施形態を概略的に示す。従って、図示されるように、冷却媒体は、エーロフォイル部分から翼端シュラウドの中央チャンバ１３４、２３４の中へ流れ、中央チャンバは、４つの蛇行回路の各々に冷却媒体を供給する。前述のように、中央チャンバは必須の要素ではなく、冷却媒体は、エーロフォイル冷却流路から翼端シュラウドの蛇行回路のうちいくつかの回路又は全ての回路の中へ直接流れることも可能である。更に、翼端シュラウドの任意の数の蛇行回路に冷却媒体を供給するために、任意の数の中央チャンバを使用できる。しかし、ブレードの鋳造後に形成されるエーロフォイル冷却形状を有するブレードの製造に際しては、鋳造の時点で中央チャンバを開放状態にしておき、エーロフォイル冷却形状が形成された後に、例えば、端板／端部キャップにより、あるいは単純に端部キャップなしに開口部を溶接して、閉鎖することにより、チャンバを密封できると好都合である。
【００１４】
図４及び図５は、図３の翼端シュラウドの２つの例の横断面を概略的に示す。図４においては、蛇行回路を中央チャンバに接続するために、穴１３８が設けられている。穴は、単に蛇行回路を中央チャンバに接続するために使用されるばかりでなく、それぞれの回路への流れを計量調整してもよい。図５の別の構成においては、中央チャンバは蛇行回路に対して完全に開放されている。図４の実施形態及び図５の実施形態は、共に、共通のインベストメント鋳造中子により形成されてもよい。ブレードを形成するインベストメント鋳造段階の間に、製造を容易にするために、蛇行回路に特徴形状が追加されてもよい。例えば、中子は、蛇行回路の長さに沿った様々なポイントで、部品の最上部又は縁部をプリントアウトしてもよい。中子プリントアウト１４０は、ブレードを形成する工程の間に中子を補強する働きをする。中子プリントアウトは、鋳造後に密封されてもよいが、開放されたままであってもよい。その場合には、中子プリントアウトは空気抜き穴になる。空気抜き穴は、隣接する領域に対して局所対流冷却を行うが、蛇行回路の下流側で冷却材の量を減少させるので、熱伝達の側面から、常に有効であるとは限らない。
【００１５】
エーロフォイルに蛇行回路が組み込まれている場合、エーロフォイルの蛇行回路にシュラウドの蛇行回路が接続されてもよい。蛇行冷却を伴わないブレード、例えば、前述のような半径方向にあけられた冷却穴を使用するブレードにおいては、シュラウドの蛇行回路を中央チャンバに接続するか、又は半径方向冷却穴に直接接続することが可能である。中央チャンバを形成することは、半径方向冷却穴を製造するのに好都合であるが、使用前に、中央チャンバは密封されなければならない。あるいは、シュラウドの蛇行回路を部品内にあらかじめ鋳造しておき、それらの蛇行回路と交差するように、部品を貫通する半径方向穴をあけてもよい。その後、冷却材がシュラウドから出る前に強制的に蛇行回路を通過するようにするために、あけられた貫通穴の最上部が密封されてもよい。付加的な特徴として、更に冷却を最適化するために、蛇行回路から出た使用済み冷却空気を方向付けすると有効である。例えば、隣接するブレードの翼端シュラウドの間の境界面１２２、１２４を冷却するように、蛇行回路の出口が配置されてもよい。
【００１６】
本発明の実施形態に従った蛇行冷却翼端シュラウドの利点の１つは、蛇行回路の形成に応じてブレードの重量が減少することである。この点に関して、熱伝達の観点から、シュラウド冷却空気の速度は、適度な高さに保持する必要がある。冷却材の流量が少なく翼端シュラウドが中空であるブレードの場合、これは、主に、冷却材が流れる流路の大きさを縮小することにより実現される。その結果、シュラウドの金属部分が多くなるか又はシュラウド全体が小さくなる。一般に、シュラウドの金属部分が多くなれば、バケット重量が増加し、シュラウド全体が小さくなれば、すなわち、シュラウドにスカラップが形成されれば、エンジン性能が低下するという結果を招く。本明細書中で説明したような蛇行回路を設けることにより、少量の冷却空気が相対的に狭い流路を何度も通過する。これにより、冷却材の速度が維持される一方、同様の量のスカラップを有する中実チップと比較して、翼端シュラウドの内側における空気の体積は増加し、ブレード重量は減少する。
【００１７】
最後に、部品と一体であり、すなわち、部品に鋳込まれた蛇行回路を設けることは、部品の構造的一体性を保持する上で重大な利点である。実際、翼端シュラウドとブレードの本体との間の接合部を形成する工程は不要となる。ブレードのその他の部分の耐用年数にわたり機械的一体性を確保するために、そのような接合部を検査することは困難である。
【００１８】
現時点で最も実用的で好適な実施形態であると考えられるものに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示された実施形態に限定されてはならず、逆に、添付の特許請求の範囲の趣旨の範囲内に含まれる種々の変形及び等価の構成を包含することが意図されていると理解すべきである。例えば、特に翼端シュラウドの冷却に関連して説明したが、本明細書中で開示された技術は、ブレードの先端部に配置されないシュラウドにも使用可能である。この点に関して、いくつかのブレードは、エーロフォイルの長さの半ばの場所に、そのブレードを隣接するブレードに結合するシュラウドを有し、本明細書中で説明された冷却流路は、そのようなシュラウドに組み込み可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】翼端シュラウドを含む従来のタービンブレードを示した概略斜視図である。
【図２】シュラウドのスカラップを示した従来の翼端シュラウドの概略平面図である。
【図３】本発明を実現した蛇行冷却翼端シュラウドの一実施形態を示した概略平面図である。
【図４】図３の線４‐４に沿った本発明の一実施形態の概略横断面図である。
【図５】図３の線５‐５に沿った本発明の別の実施形態の概略横断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０…タービンブレード、１４…根元部分、１１２…エーロフォイル部分、１２０…翼端シュラウド、１２２、１２４…支持面、１２８…空気排出穴、１３０、１３１、１３２、１３３…蛇行回路、１３４…中央チャンバ、２１２…エーロフォイル部分、２２０…翼端シュラウド、２３１、２３３…蛇行回路、２３４…中央チャンバ
【図１】
0005185569.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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